Genetska istraživanja: indikacije, metode

Posljednjih godina uočen je porast udjela nasljednih bolesti u ukupnoj strukturi bolesti. U tom smislu, uloga genetskih istraživanja u praktičnoj medicini je sve veća. Bez znanja medicinske genetike nemoguće je učinkovito dijagnosticirati, liječiti i sprječavati nasljedne i kongenitalne bolesti.

Nasljedna predispozicija vjerojatno je svojstvena gotovo svim bolestima, ali njezin stupanj znatno varira. Ako uzmemo u obzir ulogu nasljednih čimbenika u nastanku različitih bolesti, možemo razlikovati sljedeće skupine.

• Bolesti čije je podrijetlo u potpunosti određeno genetskim čimbenicima (utjecaj patološkog gena); u ovu skupinu spadaju monogenske bolesti čije je nasljeđivanje podložno osnovnim pravilima Mendelovih zakona (Mendelove bolesti), a utjecaj vanjskog okruženja može utjecati samo na intenzitet određenih manifestacija patološkog procesa (njegovih simptoma).
• Bolesti, čija je pojava uglavnom određena utjecajem vanjskog okruženja (infekcije, ozljede itd.); nasljednost može utjecati samo na neke kvantitativne karakteristike tjelesne reakcije, odrediti značajke tijeka patološkog procesa.
• Bolesti kod kojih je nasljednost uzročni faktor, ali za njezino ispoljavanje potrebni su određeni utjecaji okoline, njihovo nasljeđivanje ne poštuje Mendelove zakone (ne-Mendelove bolesti); nazivaju se multifaktorijalnim.

Nasljedne bolesti

Razvoj svake jedinke rezultat je interakcije genetskih i okolišnih čimbenika. Skup ljudskih gena uspostavlja se tijekom oplodnje i zatim, zajedno s okolišnim čimbenicima, određuje karakteristike razvoja. Skup gena organizma naziva se genom. Genom u cjelini je prilično stabilan, ali pod utjecajem promjenjivih uvjeta okoline u njemu se mogu dogoditi promjene - mutacije.

Osnovne jedinice nasljednosti su geni (dijelovi molekule DNA). Mehanizam prijenosa nasljednih informacija temelji se na sposobnosti DNA da se samoumnožava (replicira). DNA sadrži genetski kod (sustav zapisivanja informacija o položaju aminokiselina u proteinima pomoću slijeda nukleotida u DNA i informacijskoj RNA), koji određuje razvoj i metabolizam stanica. Geni se nalaze u kromosomima, strukturnim elementima stanične jezgre koji sadrže DNA. Mjesto koje zauzima gen naziva se lokus. Monogene bolesti su monolokusne, poligene bolesti (multifaktorijalne) su multilokusne.

Kromosomi (štapićaste strukture u jezgrama stanica vidljive pod svjetlosnim mikroskopom) sastoje se od mnogo tisuća gena. Kod ljudi, svaka somatska ili nespolna stanica sadrži 46 kromosoma, predstavljenih s 23 para. Jedan od parova, spolni kromosomi (X i Y), određuje spol jedinke. U jezgrama somatskih stanica, žene imaju dva X kromosoma, dok muškarci imaju jedan X i jedan Y kromosom. Spolni kromosomi muškaraca su heterologni: X kromosom je veći i sadrži mnogo gena odgovornih za određivanje spola i druge karakteristike organizma; Y kromosom je malen, ima oblik drugačiji od X kromosoma i nosi uglavnom gene koji određuju muški spol. Stanice sadrže 22 para autosoma. Ljudski autosomni kromosomi podijeljeni su u 7 skupina: A (1., 2., 3. par kromosoma), B (4., 5. par), C (6., 7., 8., 9., 10., 11., 12. par, kao i kromosom X, slične veličine kao kromosomi 6 i 7), D (13., 14., 15. par), E (16., 17., 18. par), F (19., 20. par), G (21., 22. par i kromosom Y).

Geni su linearno raspoređeni duž kromosoma, pri čemu svaki gen zauzima strogo definirano mjesto (lokus). Geni koji zauzimaju homologne lokuse nazivaju se alelni. Svaka osoba ima dva alela istog gena: po jedan na svakom kromosomu svakog para, s izuzetkom većine gena na kromosomima X i Y kod muškaraca. Kada homologne regije kromosoma sadrže identične alele, govorimo o homozigotnosti; kada sadrže različite alele istog gena, govorimo o heterozigotnosti za određeni gen. Ako gen (alel) pokazuje svoj učinak kada je prisutan samo na jednom kromosomu, naziva se dominantnim. Recesivni gen pokazuje svoj učinak samo ako je prisutan u oba člana kromosomskog para (ili na jednom X kromosomu kod muškaraca ili kod žena s genotipom X0). Gen (i odgovarajuća osobina) naziva se X-vezanim ako je lokaliziran na kromosomu X. Svi ostali geni nazivaju se autosomnim.

Razlikuje se dominantno i recesivno nasljeđivanje. Kod dominantnog nasljeđivanja, osobina se manifestira i u homozigotnom i u heterozigotnom stanju. Kod recesivnog nasljeđivanja, fenotipske (skup vanjskih i unutarnjih osobina organizma) manifestacije opažaju se samo u homozigotnom stanju, dok su odsutne u heterozigotnosti. Moguće je i spolno vezano dominantno ili recesivno nasljeđivanje; na taj način se nasljeđuju osobine povezane s genima lokaliziranim u spolnim kromosomima.

Dominantno nasljedne bolesti obično pogađaju nekoliko generacija jedne obitelji. Kod recesivnog nasljeđivanja, latentno heterozigotno nošenje mutiranog gena može dugo postojati u obitelji, zbog čega se bolesna djeca mogu roditi od zdravih roditelja ili čak u obiteljima u kojima je bolest odsutna nekoliko generacija.

Genske mutacije su temelj nasljednih bolesti. Razumijevanje mutacija je nemoguće bez modernog razumijevanja pojma "genom". Trenutno se genom smatra multigenomskom simbiotskom strukturom koja se sastoji od obveznih i fakultativnih elemenata. Osnova obveznih elemenata su strukturni lokusi (geni), čiji su broj i položaj u genomu prilično konstantni. Strukturni geni čine približno 10-15% genoma. Koncept "gena" uključuje transkribirano područje: egzone (stvarno kodirajuće područje) i introne (nekodirajuće područje koje odvaja egzone); te bočne sekvence - vodeći, koji prethodi početku gena, i repno neprevedeno područje. Fakultativni elementi (85-90% cijelog genoma) su DNK koja ne nosi informacije o aminokiselinskom slijedu proteina i nije strogo obavezna. Ova DNK može sudjelovati u regulaciji ekspresije gena, obavljati strukturne funkcije, povećati točnost homolognog sparivanja i rekombinacije te promovirati uspješnu replikaciju DNK. Sudjelovanje fakultativnih elemenata u nasljednom prijenosu osobina i formiranju mutacijske varijabilnosti sada je dokazano. Takva složena struktura genoma određuje raznolikost genskih mutacija.

U najširem smislu, mutacija je stabilna, nasljedna promjena u DNK. Mutacije mogu biti popraćene promjenama u strukturi kromosoma koje su vidljive pod mikroskopom: delecija - gubitak dijela kromosoma; duplikacija - udvostručenje dijela kromosoma, insercija (inverzija) - prekid u dijelu kromosoma, njegova rotacija za 180° i pričvršćivanje na mjesto prekida; translokacija - odvajanje dijela jednog kromosoma i pričvršćivanje na drugi. Takve mutacije imaju najveći štetni učinak. U drugim slučajevima, mutacije se mogu sastojati od zamjene jednog od purinskih ili pirimidinskih nukleotida jednog gena (točkaste mutacije). Takve mutacije uključuju: missense mutacije (mutacije s promjenom značenja) - zamjena nukleotida u kodonima s fenotipskim manifestacijama; besmislene mutacije (besmislene) - zamjena nukleotida koji tvore terminacijske kodone, uslijed čega se prerano prekida sinteza proteina kodiranog genom; mutacije spajanja - zamjene nukleotida na spoju eksona i introna, što dovodi do sinteze izduženih proteinskih molekula.

Relativno nedavno identificirana je nova klasa mutacija - dinamičke mutacije ili ekspanzijske mutacije povezane s nestabilnošću broja trinukleotidnih ponavljanja u funkcionalno značajnim dijelovima gena. Mnoga trinukleotidna ponavljanja lokalizirana u transkribiranim ili regulatornim regijama gena karakterizira visoka razina varijabilnosti populacije, unutar koje se ne opažaju fenotipski poremećaji (tj. bolest se ne razvija). Bolest se razvija samo kada broj ponavljanja na tim mjestima prijeđe određenu kritičnu razinu. Takve mutacije se ne nasljeđuju u skladu s Mendelovim zakonom.

Dakle, nasljedne bolesti su bolesti uzrokovane oštećenjem staničnog genoma, koje mogu utjecati na cijeli genom, pojedinačne kromosome i uzrokovati kromosomske bolesti ili utjecati na pojedinačne gene i biti uzrok genskih bolesti.

Sve nasljedne bolesti obično se dijele u tri velike skupine:

• monogenski;
• poligenski ili multifaktorski, u kojem mutacije nekoliko gena i negenetski čimbenici međusobno djeluju;
• kromosomske abnormalnosti ili anomalije u strukturi ili broju kromosoma.

Bolesti koje pripadaju prvim dvjema skupinama često se nazivaju genetskim, a one koje pripadaju trećoj skupini nazivaju se kromosomskim bolestima.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]

Klasifikacija nasljednih bolesti

Kromosomski	Monogenski	Multifaktorski (poligenski)
Anomalije u broju spolnih kromosoma: - Šereševski-Turnerov sindrom; - Klinefelterov sindrom; - sindrom trisomije X; - sindrom 47, XYY Autosomi: - Downov sindrom; - Edwardsov sindrom; - Patauov sindrom; - parcijalna trisomija 22 Strukturne abnormalnosti kromosoma: Sindrom plačnog čavrljanja; Sindrom delecije 4p; Sindromi mikrodelecije susjednih gena	Autosomno dominantno: Marfanov sindrom; von Willebrandova bolest; Minkowski-Shoffar anemija i druge Autosomno recesivno: - fenilketonurija; - galaktozemija; - cistična fibroza, itd. X-vezano recesivno: Hemofilija A i B; Duchenneova miopatija; I drugi. X-vezani dominantni: - rahitis otporan na vitamin D; - smeđa obojenost Zubna caklina itd.	CNS: neki oblici epilepsije, shizofrenija itd. Kardiovaskularni sustav: reumatizam, hipertenzija, ateroskleroza itd. Koža: atopijski dermatitis, psorijaza itd. Dišni sustav: bronhijalna astma, alergijski alveolitis itd. Mokraćni sustav: urolitijaza, enureza itd. Probavni sustav: peptički ulkus, nespecifični ulcerozni kolitis itd.

Kromosomske bolesti mogu biti uzrokovane kvantitativnim kromosomskim anomalijama (genomskim mutacijama), kao i strukturnim kromosomskim anomalijama (kromosomskim aberacijama). Klinički se gotovo sve kromosomske bolesti manifestiraju kao intelektualni invaliditet i višestruki kongenitalni defekti, često nespojivi sa životom.

Monogene bolesti nastaju kao posljedica oštećenja pojedinačnih gena. Monogene bolesti uključuju većinu nasljednih metaboličkih bolesti (fenilketonurija, galaktozemija, mukopolisaharidoze, cistična fibroza, adrenogenitalni sindrom, glikogenoze itd.). Monogene bolesti nasljeđuju se prema Mendelovim zakonima i, prema vrsti nasljeđivanja, mogu se podijeliti na autosomno dominantne, autosomno recesivne i X-vezane.

Multifaktorijalne bolesti su poligenske, a za njihov razvoj potreban je utjecaj određenih čimbenika okoliša. Opći znakovi multifaktorijalnih bolesti su sljedeći.

• Visoka učestalost u populaciji.
• Izražen klinički polimorfizam.
• Sličnost kliničkih manifestacija kod probanda i bliskih srodnika.
• Razlike u dobi i spolu.
• Raniji početak i određeno povećanje kliničkih manifestacija u silaznim generacijama.
• Promjenjiva terapijska učinkovitost lijekova.
• Sličnost kliničkih i drugih manifestacija bolesti kod bliskih srodnika i probanda (koeficijent heritabilnosti za multifaktorijalne bolesti prelazi 50-60%).
• Neskladnost obrazaca nasljeđivanja s Mendelovim zakonima.

Za kliničku praksu važno je razumjeti bit pojma "kongenitalne malformacije", koje mogu biti pojedinačne ili višestruke, nasljedne ili sporadične. Nasljedne bolesti ne uključuju one kongenitalne bolesti koje se javljaju tijekom kritičnih razdoblja embriogeneze pod utjecajem nepovoljnih čimbenika okoliša (fizičkih, kemijskih, bioloških itd.) i nisu naslijeđene. Primjer takve patologije mogu biti kongenitalne srčane mane, koje su često uzrokovane patološkim učincima tijekom razdoblja formiranja srca (prvo tromjesečje trudnoće), na primjer, virusna infekcija tropska za tkiva srca u razvoju; fetalni alkoholni sindrom, razvojne anomalije udova, ušiju, bubrega, probavnog trakta itd. U takvim slučajevima, genetski čimbenici tvore samo nasljednu predispoziciju ili povećanu osjetljivost na učinke određenih čimbenika okoliša. Prema WHO-u, razvojne anomalije prisutne su kod 2,5% sve novorođenčadi; 1,5% ih je uzrokovano djelovanjem nepovoljnih egzogenih čimbenika tijekom trudnoće, ostale su uglavnom genetske prirode. Razlikovanje nasljednih i kongenitalnih bolesti koje nisu naslijeđene od velike je praktične važnosti za predviđanje potomstva u određenoj obitelji.

[ 5 ]

Metode dijagnostike nasljednih bolesti

Trenutno praktična medicina ima cijeli arsenal dijagnostičkih metoda koje omogućuju otkrivanje nasljednih bolesti s određenom vjerojatnošću. Dijagnostička osjetljivost i specifičnost tih metoda variraju - neke omogućuju samo pretpostavku prisutnosti bolesti, dok druge s velikom točnošću otkrivaju mutacije koje su u osnovi bolesti ili određuju karakteristike njezina tijeka.

[ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ]

Citogenetske metode

Citogenetske metode istraživanja koriste se za dijagnosticiranje kromosomskih bolesti. One uključuju:

• studije spolnog kromatina - određivanje X- i Y-kromatina;
• kariotipizacija (kariotip je skup kromosoma stanice) - određivanje broja i strukture kromosoma u svrhu dijagnosticiranja kromosomskih bolesti (genomskih mutacija i kromosomskih aberacija).

[ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ]